Beaucoup de gens imaginent la conductivité électrique comme le flux de particules chargées (principalement des électrons) sans vraiment penser à la structure atomique du matériau à travers lequel ces charges se déplacent. Mais les scientifiques qui étudient les matériaux "à électrons fortement corrélés" tels que les supraconducteurs à haute température et ceux qui ont de fortes réponses au magnétisme savent que cette image est beaucoup trop simpliste. Ils savent que les atomes jouent un rôle crucial dans la détermination des propriétés d'un matériau.

Par exemple, la résistance électrique est une manifestation de la dispersion des électrons des atomes. Moins évident est le concept selon lequel les électrons et les atomes peuvent se déplacer en coopération pour arrêter le flux de charge - ou, à l'autre extrême, faire circuler les électrons librement sans résistance.

Maintenant, une équipe dirigée par le physicien Yimei Zhu du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie a produit des preuves définitives que le mouvement des électrons a un effet direct sur les arrangements atomiques, entraînant des déformations dans le réseau cristallin 3D d'un matériau de manière à modifier considérablement le flux de courant. Trouver des preuves de ces fortes interactions électron-réseau, connu sous le nom de polarons, souligne la nécessité de quantifier leur impact sur des phénomènes complexes tels que la supraconductivité (la capacité de certains matériaux à transporter du courant sans perte d'énergie) et d'autres propriétés prometteuses.

Comme décrit dans un article qui vient d'être publié dans la revue partenaire Nature Matériaux quantiques npj , l'équipe a développé un système de « diffraction ultrarapide des électrons » - une nouvelle technique d'imagerie laser et la première du genre au monde - pour capturer les subtiles distorsions du réseau à l'échelle atomique. La méthode a une large application potentielle pour l'étude d'autres processus dynamiques.

"La technique est similaire à l'utilisation de la photographie stroboscopique pour révéler la trajectoire d'une balle, " a déclaré Zhu. " En utilisant différents délais entre le lancement de la balle et la prise de la photo, vous pouvez capturer l'action dynamique, " il a dit.

Mais pour imager la dynamique à l'échelle atomique, vous avez besoin d'un flash beaucoup plus rapide et d'un moyen de mettre en mouvement des objets à l'échelle subatomique.

La machine développée par l'équipe de Brookhaven utilise une impulsion laser pour donner aux électrons d'un échantillon un "coup" d'énergie. À la fois, un deuxième laser séparé du premier génère des rafales très rapides d'électrons à haute énergie (2,8 mégaélectrons-volts) pour sonder l'échantillon. Les électrons qui composent ces « flashs » de 130 femtosecondes - chacun d'une durée de seulement 0, 00000000000013 secondes - se dispersent sur l'échantillon et créent des motifs de diffraction qui révèlent les positions des atomes. En faisant varier le délai entre l'impulsion et la sonde, les scientifiques peuvent capturer les changements subtils dans les arrangements atomiques lorsque le réseau répond aux électrons « expulsés ».

"C'est similaire à la diffraction des rayons X, mais en utilisant des électrons, nous obtenons un signal beaucoup plus grand, et la haute énergie des électrons de la sonde nous donne un meilleur accès à la mesure précise du mouvement des atomes, " dit Zhu. De plus, son microscope peut être construit pour une fraction de ce qu'il en coûterait pour construire une source de lumière à rayons X ultrarapide. "C'est une machine 'faite maison'."

Principales conclusions

Les scientifiques ont utilisé cette technique pour étudier les interactions électron-réseau dans un oxyde de manganèse, un matériau d'intérêt de longue date en raison de la façon dont sa conductivité peut être affectée par la présence d'un champ magnétique. Ils ont détecté une signature révélatrice d'électrons interagissant avec et modifiant la forme du réseau atomique, à savoir, une « relaxation » en deux étapes présentée par les électrons soulevés et leurs atomes environnants.

Dans une relaxation normale en une étape, les électrons soulevés par un sursaut d'énergie d'un emplacement atomique à un autre adaptent rapidement leur « forme » au nouvel environnement.

"Mais dans les matériaux fortement corrélés, les électrons sont ralentis par des interactions avec d'autres électrons et des interactions avec le réseau, " dit Weiguo Yin, un autre physicien de Brookhaven travaillant sur l'étude. "C'est comme un embouteillage avec beaucoup de voitures qui roulent plus lentement."

En effet, les électrons chargés négativement et les noyaux atomiques chargés positivement se répondent d'une manière qui amène chacun à essayer de s'adapter à la « forme » de l'autre. Donc un nuage d'électrons allongé, en entrant dans un espace atomique symétrique, commence à prendre une forme plus sphérique, pendant ce temps-là, les atomes qui composent le réseau, changer de position pour essayer d'accommoder le nuage d'électrons allongé. Dans la deuxième étape, cet entre-deux, pousse moi, L'arrangement pull-you se détend progressivement jusqu'à ce que l'on attendrait d'une relaxation en une seule étape.

"Ce comportement en deux étapes, que nous pouvons voir avec notre diffraction d'électrons ultrarapide, est la preuve que les vibrations du réseau interagissent avec les électrons en temps opportun. Ils sont la preuve que les polarons existent, " dit Yin.

La découverte donne un aperçu de la façon dont la réponse du réseau aide à générer l'énorme diminution de la résistance électrique que les manganites subissent dans un champ magnétique, un effet connu sous le nom de magnétorésistance colossale.

"Les formes des nuages ​​d'électrons sont liées aux attributs magnétiques des électrons, " expliqua Yin. " Lorsque les moments magnétiques des électrons sont alignés dans un champ magnétique, la forme du nuage d'électrons et l'arrangement atomique deviennent plus symétriques et homogènes. Sans avoir besoin de jouer au push-me, jeu de traction, les charges électriques peuvent circuler plus facilement."

Ce travail montre qu'un laser ultrarapide peut modifier rapidement les composants électroniques, magnétique, et la dynamique du réseau dans les matériaux électroniques fortement corrélés - une approche qui pourrait déboucher sur de nouvelles applications techniques prometteuses, tels que la mémoire ultrarapide ou d'autres appareils électroniques à grande vitesse.

"Notre méthode permet de mieux comprendre ces interactions dynamiques, et suggère qu'il sera également utile pour étudier d'autres processus dynamiques afin de découvrir des états cachés et d'autres comportements de matériaux exotiques, " dit Zhu.